[단독] 김동관의 ‘탈탄소 비전’ 가시화…한화에어로, ‘해상 초격차선박 기술’ 대거 확보

미래수소선박 연료전지 파워팩 난제 해결 원천특허 7종 획득
200KW급 심장, ‘비상 운전·가상 센서’로 해상 조난 원천봉쇄
북극항로 뚫는 ‘냉시동’·공간 확보 ‘통합설계’로 기술장벽 돌파
2027년 상용화…오션·엔진과는 ‘무탄소 해운 밸류체인’ 완성

한화에어로스페이스가 미래 수소 선박의 핵심 심장인 선박용 연료 전지 파워팩의 기술적 난제들을 해결할 원천 특허 7종을 따냈다. 이는 김동관 한화그룹 부회장의 주도하에 추진 중인 해양 탈탄소 비전이 기술적 실체를 드러낸 것으로, 초격차 경쟁력 확보를 통한 밸류 체인 구축이 기대된다.

21일 본지 취재 결과 한화에어로스페이스는 '200kW 이상급 선박용 연료 전지 파워팩 개발'과 관련, 최근 지식재산처로부터 선박의 안전·제어·내구성 관련 핵심 특허 7종을 인정받았다. 이는 산업통상부·한국에너지기술평가원 주관 신 재생 에너지 핵심 기술 개발 사업의 일환으로 진행되는 것이고 연구 기간은 2024년 4월 1일부터 2027년 3월 31일까지다.

이번에 확보된 기술 중 가장 돋보이는 대목은 김동관 부회장이 다보스 포럼 등에서 강조해 온 '신뢰할 수 있는 무탄소 솔루션'의 실현이다. 자동차와 달리 갓길 정차가 불가능한 해상에서 엔진 정지는 곧 조난을 의미하기 때문이다.

한화에어로스페이스가 확보한 '연료 전지 제어 장치·방법(10-2887909)'은 메인 제어기(운전 제어부)에 치명적인 오류가 발생하거나 통신이 두절되는 최악의 상황을 가정했다. 이때 시스템은 즉시 별도의 '안전 제어부'로 권한을 넘기고, 미리 검증된 '안전 고정값'을 호출 출력을 강제 유지한다. 이는 제어 시스템이 마비되더라도 선박이 최소한의 동력을 유지해 항구로 비상 운전 상태로 복귀할 수 있게 만드는 최후의 보루다.

또한 고가의 방폭 수소 센서를 무한정 늘리는 대신 '가상 센서 이중화(10-2813988)' 기술을 고안했다. 연료 전지를 감싸는 인클로저 내부의 제1 수소 센서가 고장 나면 제어부는 즉시 밸브를 열어 내부 공기를 배기 라인으로 우회시킨다. 이후 배기구에 이미 설치된 제2 센서로 수소 누출 여부를 교차 검증 하는 방식이다. 이는 물리적 센서 추가 없이도 안전 등급을 충족시켜 선박 건조 비용 절감과 시스템 가동률 향상이라는 두 마리 토끼를 잡은 '역발상'의 결과다.

전 세계 바다를 누벼야 하는 상선의 특성상 극지방 운항 능력은 필수다. 한화에어로스페이스는 영하의 날씨에서도 별도의 외부 히터 없이 시동을 걸 수 있는 '냉시동 제어(10-2809702)' 기술을 확보했다.

핵심은 '온도 추종형 제어'다. 냉각수 밸브를 완전히 닫아 스택 자체의 전기화학 반응열을 가둔 뒤 미리 설정된 온도 상승 기울기에 맞춰 밸브를 미세하게 여닫으며 시스템을 예열한다. 이는 급격한 온도 상승에 따른 열충격(Thermal Shock)을 방지하고, 외부 청수(Fresh Water)와의 온도 차이까지 계산해 밸브 개방 시점을 조절함으로써 에너지 효율을 극대화한다. 시동 후에는 다단계 블로워 작동을 통해 내부에 녹은 응축수까지 완벽히 제거해 재동결을 막는다.

연료 전지의 수명을 갉아먹는 수분 관리 기술도 진화했다. 기존에는 전압 수치만으로 내부 상태를 짐작했다면 이번 기술은 워터 트랩 내 서로 다른 높이의 두 센서를 활용해 물이 차오르는 속도를 측정해 '플러딩(물 넘침)'을 물리적으로 진단하고(10-2813989), 셀 전압의 변화율을 분석해 국소적인 성능 저하를 조기에 잡아낸다(10-2874400).

여기에 '전류 파형 분석(CSA, Current Signature Analysis, 10-2842113)' 기술까지 더해졌다. 배출 밸브(Purge Valve)에 흐르는 전류의 미세한 파형 변화를 감지해 배출되는 물질이 물인지 가스인지 구별해낸다. 이를 통해 물만 정확히 배출하고 아까운 수소 연료의 낭비를 차단해 연비 효율을 높였다.

'선박용 연료 전지 시스템의 통합 제어 장치·방법(10-2887910)' 특허는 그동안 별도로 존재했던 거대한 '방전용 저항'과 '제습용 히터'를 하나로 합쳤다.

운전 종료 시에는 릴레이를 조절해 잔류 고전압을 태우는 방전 저항으로 쓰고, 시동 전이나 휴지기에는 선박의 보조 전력을 끌어와 습기를 말리는 히터로 쓰는 하이브리드 방식이다. 이를 통해 기계실 부피를 획기적으로 줄여 공간을 추가로 확보하고, 고염분 해상 환경에서 치명적인 절연 파괴 사고를 예방한다.

이번 특허 확보는 한화그룹의 조선·해양 밸류 체인이 완성 단계에 진입했음을 시사한다. 한화오션이 건조하는 친환경 선박에 한화에어로스페이스의 이 '수소 심장'이 탑재되고, 한화엔진의 추진 체계가 결합되는 그림이다. 이는 김동관 부회장이 2024년 다보스 포럼에서 천명한 세계 최초의 무탄소 가스 운반선 실증 약속을 지키기 위한 구체적인 실행 로드맵이기도 하다.

한화오션은 시흥 R&D 캠퍼스 내에 친환경 선박용 동력 에너지 시스템 연구 개발과 연료 전지·수소 생산 시스템 실증 기반 시성을 확보하고, 연료 기술 적용을 위해 육상 시험 시설(LBTS, Land Based Test Site)을 건립했다. 수소 저장과 생산 연구·실증을 통해 수주에 기여하기 위함이다. 이곳에서는 연료 전지 모듈과 리튬 이온 배터리 연동 시험을 통한 시스템 운용 최적화 연구도 이뤄지고 있다.

이는 육상용 기술을 선박에 얹는 수준을 넘어 고염분·고습도·진동 등 망망대해의 극한 환경을 극복하고 '절대 멈추지 않는 선박'을 구현하겠다는 한화그룹의 의지로 해석된다.

정부 역시 이번 기술 개발을 포함해 수소 선박·수전해 등 에너지 신산업 수출 동력화를 위해 R&D 지원 체계를 대폭 강화하고 있어 한화그룹의 이러한 기술적 행보는 'K-조선'의 초격차 경쟁력 확보에 결정적 역할을 할 것으로 전망된다.

한화에어로스페이스 관계자는 “선박 기술·원가 경쟁력으로 시장을 선도하고 에너지 전환 시대를 이끌어 나가는 친환경 기업으로의 혁신적 전환으로 '글로벌 탑 티어 오션 솔루션 프로바이더'로 도약하겠다"고 말했다.

박규빈 기자 kevinpark@ekn.kr